PLC 在反冲洗废水回用中的应用

张亚军，郭来功

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

0 引言

淮北市某水厂现有生产工业清水规模为23 万吨/天，采用“反应+沉淀+过滤+消毒”工艺，原水经处理后加压输送至用户。为了保护环境，节约水资源，该水厂对生产废水进行回用。生产废水主要包括沉淀池的排泥水和滤池反冲洗时产生的反冲洗废水，这类废水一般约占水厂总进水量3%～8%[1]。该水厂近几年来提供的工业清水年均供水约2030 万吨，日供水约5.6 万吨，生产过程生产废水每年约155 万吨，其中滤池反冲洗废水约130 万吨，沉淀池排泥水约25 万吨。在该水厂回用生产废水的过程中采用手动控制的方式，为了实现对生产废水回用过程的自动化控制和优化，本文采用PLC 对回用水池进行控制，并结合实时的监控画面，改善了回用废水过程的自动化控制。

1 反冲洗废水回用工艺

该水厂滤池反冲洗废水回用水池和沉淀池排泥水的排泥池采用分开构建的方式，将滤池反冲洗废水和沉淀池排泥水分开收集，经排泥池排出的排泥水经过浓缩和压滤脱水处理成泥饼[2]。在污泥浓缩时的上清液回收至回用水池，回用水池经一段时间沉淀后的上清液回用至沉淀池，实现生产废水的回用，其工艺如图1 所示。

图1 反冲洗废水回用工艺

反冲洗废水回用水池采用的是双池结构，其水池结构如图2 所示，两个水池的进水口有电动阀门，可以通过阀门控制废水进入的水池，每个水池都分别配有一个排水泵和一个排污泵。

图2 回用水池结构

2 反冲洗废水回用系统

反冲洗废水回用系统主要包括三个层面如图3 所示，监控层是在中控室操作员可以通过监控画面监测系统的运行和运行过程中的数据，并可以远程控制现场设备以及对故障报警进行预处理[3]。PLC 控制层是将现场仪器采集的数据信息传递到PLC 中，经过程序设计的处理后，再输出指令对现场设备进行控制。现场设备层有排水泵、排污泵、步进电机、浊度仪和超声波液位计，各自分布在工艺现场中负责数据信息采集和进行废水回用运行。回用水池主要进水是反冲洗废水，其次是排泥水浓缩过程的上清液，针对回用水池的排水排泥，配备了两台排水泵和两台排污泵。回用水池排水泵旁装有步进电机带动的可上下移动的带平台的滑杆，可移动的平台上固定有浊度仪和排水泵进水口软管。浊度仪采集到的浊度值实时反馈到PLC，PLC 根据当前浊度值和设定浊度值比较出差值，然后通过PLC 对差值信号进行PID运算，运算结果通过PLC 输出控制驱动器，实现对步进电机的控制，从而控制浊度仪的位置，达到固定浊度回用上清液的目的[4]。

图3 反冲洗废水回用系统图

系统配有三种控制方式：自动控制、现场手动控制和远程控制[5]。现场手动控制是通过回用水池旁的现场按钮实现设备的启动与停止；远程控制是通过中控室的监控计算机进行远程操作回用水池设备，可以控制现场设备的启停；自动控制是PLC 控制器根据程序设定自动运行反冲洗废水回用系统。

3 反冲洗废水回用硬件设计

■3.1 PLC 的设计

在本次反冲洗废水回用系统中，选用西门子S7-1200系列的PLC 作为控制器，其型号为CPU 1214C DC/DC/DC。该PLC 具有高速脉冲输出可以驱动控制步进电机的运行，CPU 机身配有PROFINET 以太网接口，可以实现HMI、上位机和其他PLC 之间的通信，并扩展RS485 通讯模块CM1241，实现对数据的采集。

■3.2 浊度仪的设计

该水厂在对滤池进行6 分钟反冲洗时，测得反冲洗过程反冲洗废水浊度值约在22～300NTU 之间。沉淀池的排泥水在工作期间测得浊度约为450NTU，故在此反冲洗废水回用中浊度仪可选择0.01～3000NTU 量程，精度小于测量值的±5%，型号为联测SIN-PTU-8010。浊度仪的测量原理是通过发射高强度的单色光，光束穿过水体遇到水中的微粒产生散射光，通过测量垂直于光束方向的散射光强度计算水体的浊度。由于浊度仪工作原理是激光散射法，工作时处于水中，而且沉淀池排泥水的浊度较大，长期工作浊度仪发散光束的镜面会附着许多杂质，影响浊度仪的测量精度。所以选择了配有自清洗功能的浊度仪，根据设定可以进行手动自清洗，或者固定时间间隔进行自动自清洗。

■3.3 超声波液位计的设计

根据查阅该厂对回用水池的构建资料，可知回用水池深度为5m，故在本系统中选用超声波液位计的量程为0～10m，测量精度为0.5%FS，型号为美控MIK-DFG。采用的是分体式的超声波液位计，配有RS485 通信，可实现多路测量和现场读数。由于温度对超声波的传播有影响，并且液位数据直接影响着水泵的启停，故选择配有智能温补功能的超声波液位计，保证测量精度。

■3.4 步进电机的设计

步进电机是用于负责滑杆上平台进行升降的动力源，可升降的平台上固定有浊度仪和排水泵进水软管，通过软管在水体中的升降实现固定浊度值回用上清液，提高了回用水的质量，降低了回用反冲洗废水时对原水的冲击。由于浊度仪重量0.8kg，加上和软管固定在平台上，可选用力矩为4.5N·m，步距角为1.8°，额定电流为6.0A，型号为达川智能86HB80-401A 的步进电机。PLC 和步进电机之间需要连接驱动器进行方向和转速控制，配套驱动器型号为DMA860-S，该驱动器具有多种电流与细分设置，支持交直流宽电压输入（VAC：20～80V、VDC：24V～110V），采用矢量控制技术，高速且力矩大，内置参数自整定功能，光隔离差分信号输入，具有短路、欠压、过压等保护功能。PLC和驱动器的基本控制接线如图4 所示，24V 直流电为PLC的输出端口供电，输出点Q0.0 输出脉冲信号连接驱动器的PUL+，输出点Q0.1 输出方向控制信号连接DIR+，由于采用的是西门子S7-1200 系列的PLC 来发出脉冲信号，所以驱动器采用的是共阴极接法。驱动器的供电可选用直流电24V～110V 或者交流电20～80V。

图4 驱动器控制接线

■3.5 水泵控制主回路

由于采用的是能输出高速脉冲的晶体管输出型PLC，其输出端是24V 直流电，不能直接驱动交流接触器控制三相380V 电动机运行，所以需要中间继电器来控制交流接触器，起到弱电控制强电的作用，而且可以进行电气隔离。每个排水泵和排污泵的主回路接线都如图5 所示，图中QF 是断路器可以控制整个主回路电路，电路发生故障时，可以自动切断线路保护电路中的其他设备。FU1 是熔断器在水泵主控制回路中发生短路或过流时可以保护电路。FR1 是热继电器主要对水泵电机起过载保护作用。本文中选用的PLC 输出点为24V 直流电，可以控制中间继电器的线圈KA1 得电，中间继电器的一组常开触点KA1 和交流接触器线圈KM1 一同接入380V 交流电回路中，交流接触器线圈KM1 得电，交流接触器常开触点KM1 吸合，可以控制水泵的启动。采用中间继电器不仅可以解决PLC 输出不能直接控制交流接触器的问题，而且还可以起到低电压控制高电压的作用。

图5 水泵主回路接线图

4 反冲洗废水回用软件设计

PLC 软件采用的是西门子TIA Portal V15.1，该软件能够与S7-1200PLC实现契合[6]。反冲洗废水回用系统根据回用水池的液位和浊度信息，对水泵工作进行控制。根据需要PLC 控制方式包括：自动控制、现场手动控制和远程控制。远程控制是中控室通过上位机对系统的运行进行监控和操作控制，可以对突发的报警故障进行远程预处理。一般系统正常运行时为自动控制，自动控制流程如图6 所示，包括水池切换程序，提升机工作到设定浊度液位程序。主要过程为有水池液位过高或者液位过低会切换水池进行废水收集，切换水池后高液位的水池进行一定时间的沉淀，达到沉淀时间后提升机移动升降平台到设定浊度液位进行上清液回用。

图6 工作流程

（1）回用水池切换程序。系统上电后会默认打开两个回用水池中液位相对较高的进水阀门，在有水池达到高液位信号或者有水池达到低液位信号，通过关闭高液位水池进水阀门，打开低液位水池进水阀门，切换水池进行废水收集。

（2）提升机工作程序。固定液位回用上清液，不仅需要的沉淀时间长，而且回用上清液的浊度较大，与原水混合产生的冲击较大。采用升降平台进行回用上清液过程为：在水池切换后，高液位水池进行半小时的沉淀，沉淀时间过后会给提升机工作信号，使升降平台找到设定浊度的液面，在具备开泵安全液位范围内开启排水泵回用上清液。

5 上位机监控画面设计

上位机通过以太网和控制器完成通信，进行数据间的读取和设定，通过在WinCC RT Advanced 上完成监控画面的制作，监控画面如图7 所示。在系统运行时可监控系统的运行情况，并且可以在监控画面上直接读取到一些实时显示的数据。监控画面上设置了可以点击的手动按钮，方便在上位机实现远程控制。

图7 监控画面

6 总结

本反冲洗废水回用系统采用西门S7-1200 系列PLC 作为控制器，结合现场设备和上位机监控画面，完成了对反冲洗废水回用系统的设计，实现了对反冲洗废水回用过程的自动化控制，提高了反冲洗废水回用时上清液的浊度，降低了回用时与原水混合时的冲击，提高了制水的质量。